Очерк Физических свойств

Размещено на http://www.allbest.ru/

В курсе физические свойства материалов нами были рассмотрены, собственно сами свойства, как основа неразрушающих методов контроля структуры материалов и выявления дефектов машиностроительных деталей, освоены, в теории и на практике, методы их определения, цель данного очерка - вкратце изложить почерпнутые знания в той форме, в какой они были поняты и усвоены мной.

Физические свойства - характеристика отклика материала на воздействие, на основе данного отклика материал обретает своё применение. Воздействия на материал могут быть различной природы, в данном курсе основные рассмотренные типы воздействия - это упругое, магнитное, электрическое и тепловое.

Основой формирования физических свойств является структура материала. Структура -это набор элементов из которых состоит материал. Атомы - наиболее важный элемент, но реальная структура не может существовать без дефектов. Атом можно считать жёстко взаимодействующим шаром, собрания атомов могут отталкиваться или наоборот притягиваться друг к другу. В структуре атомы, обычно, упорядочены, то есть, размещены на однотипном расстоянии друг от друга, в процессе упорядочения могут возникать новые структурные элементы, это происходит из-за стремления системы снизить свободную энергию, возникновение новых структурных элементов позволяет классифицировать их по размеру, от атомного уровня до макроуровня.

Поликристаллическое строение формируется как единение идеальной атомной структуры с дефектами, точечными, линейными, плоскими. Образ кристаллической структуры в виде жестких взаимодействующих шаров, дополненный представлениями о смеси фаз, является достаточным для описания механических свойств и является необходимым для описания физических свойств, так как большинство материалов находится в кристаллическом состоянии. Для выполнения условия достаточности, для описания физических свойств, необходимо иметь представления о таких вещах, как: формирование магнитной структуры материала, описание поведения свободных электронов и акустическая модель твёрдого тела, описывающая особенности тепловых колебаний атомов.

Для получения механических свойств необходимо объединить два состояния материала, а именно: напряженное состояние и деформированное состояние, в точке. Первое является объёмным распределением нормальных и касательных напряжений в точке, а второе объёмным распределением удлинений и сдвигов в этой же точке. На основе данных понятий строится тензор напряжений состоящий из девяти величин, представляющих механические напряжения в произвольной точке нагруженного тела. В декартовой системе координат эти девять величин записываются в виде матрицы, в которой по главной диагонали стоят нормальные составляющие векторов напряжений на трёх взаимно перпендикулярных площадках, проходящих через рассматриваемую точку среды, а в остальных позициях -- касательные компоненты векторов напряжений на этих площадках.

Под воздействием не превышающим предел упругости, все деформации в материале обратимы, воздействие(напряжение) в этом случае прямо пропорционально отклику(деформации), то есть тело подчиняется закону Гука:

физический магнитный коэрцитиметр

,

где Е модуль Юнга определяющий упругость тела по отношению к одностороннему растяжению и зависит от материала.

С увеличением степени симметрии число независимых модулей упругости снижается. Всего модулей 81, из которых только 3 - независимые.

, независимые модули - С11, С12 и С44.

Используя тензометры, измеряем деформацию, выясняем отклик материала на приложенную нагрузку , тем самым мы можем найти такие величину , как модуль упругости при растяжении, модуль сдвига при кручении, коэфициент при всестороннем сжатии.

При растяжении: - модуль упругости. При кручении: - модуль сдвига. При всестороннем давлении:

При этом можно установить связь Модуля упругости и модуля сдвига формулой:

Ультразвуковой неразрушающий контроль

Ультразвуковой контроль наиболее распространенный способ поиска, за счёт мобильности ультразвуковой установки, высокой производительности контроля, высокой точности, высокой чувствительности к любым внутренним (объёмным -- поры, металлические и неметаллические включения; плоскостным -- непровары, трещины), а также внешним, то есть поверхностным дефектам сварных швов (подрезы, обнижения валика усиления и т. п.), он очень сильно распространён.

Эхо-метод используется наиболее часто. Принцип работы: преобразователь генерирует колебания (то есть выступает в роли генератора) и он же принимает отражённые от дефектов эхо-сигналы (приёмник). Данный способ получил широкое распространение за счёт своей простоты, так как для проведения контроля требуется только один преобразователь, следовательно при ручном контроле отсутствует необходимость в специальных приспособлениях для его и совмещении акустических осей при использовании двух преобразователей. Кроме того, это один из немногих методов ультразвуковой дефектоскопии, позволяющий достаточно точно определить координаты дефекта, такие как глубину залегания и положение в исследуемом объекте (относительно преобразователя)

Рисунок 3 Эхо-импульсный метод контроля сварного соединения без дефекта (сверху) и с дефектом (снизу). В правой части изображения представлен экран дефектоскопа с изображённым на нём зондирующим импульсом (сверху) и импульсом от дефекта (снизу)

Магнитные свойства

Как известно, магнитную структуру ферромагнетика можно представить себе как конгломерат доменов - микро-областей, намагниченных до насыщения внутренним молекулярным полем, каждое зерно металла разбито на несколько доменов, вектора которых ориентированны взаимнопротивоположно . Средний размер доменов - от 1 до 10 микрометров, т.е. каждое зерно содержит сотни и тысячи доменов. В отсутствие внешнего магнитного поля вектора доменов компенсируют друг друга и общая намагниченность тела отсутствует. При наложении внешнего поля происходит изменение доменной структуры и тело намагничивается

Магнитные свойства материалов базируются на эффекте магнитного взаимодействия связанного с появлением электронного взаимодействия, то есть силового взаимодействия возникающего между, как минимум, двумя заряженными объектами, неподвижными относительно друг друга. Магнитное взаимодействие возникает при движении этих объектов относительно друг друга.

Магнитные свойства это способность вещества приобретать магнитный момент, то есть намагничиваться при воздействии на него магнитного поля. Общий магнитный момент является суммой элементарных магнитных моментов атомов данного вещества. Элементарные магнитные моменты могут быть либо наведены, либо существовать в веществе до наложения магнитного поля, в таком случае поле вызывает их преимущественную ориентацию.

В соответствии с магнитными свойствами материалы делятся на: диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные, антиферромагнитные, диамагнитные, ферримагнитные и метамагнитные.

Парамагнетики - вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля

Ферромагнетики - такие вещества, которые (при температуре ниже точки Кюри) способны обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля.

Антиферромагнетики - вещества, магнитные моменты которых, направлены противоположно и равны по силе.

Ферримагнетики -- материалы, у которых магнитные моменты атомов различных подрешёток ориентируются антипараллельно, как и в антиферромагнетиках, но моменты различных подрешёток не равны, и, тем самым, результирующий момент не равен нулю.

Метамагнетизм -- ферромагнетизм, возникающий в результате воздействия внешнего магнитного поля на антиферромагнетик , возникает нелинейно.

Диамагнетики -- вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля. В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики не магнитны.

Для характеристики намагничивания вещества необходимым является понятия о магнитной индукции и коэрцитивной силе. Магнитная индукция (В) - векторная величина характеризующая интенсивность магнитного поля и определяет силу действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля. Значение магнитной индукции зависит от строения и состояния вещества, от свойств среды, в которой возникло магнитное поле. Коэрцитивная сила по магнитной индукции (Нс) - это напряжённость магнитного поля, которая необходима, чтобы после предшествующего намагничивания до насыщения магнитная индукция упала до нуля.

При снятии намагничивающего поля Н из-за необратимости процессов, индукция не обращается в ноль, а остается некоторая величина остаточной индукции. Возникает гистерезис - запаздывание. Степень этой необратимости, а следовательно, величина остаточной индукции ( и некоторых других магнитных характеристик) во многом определяются структурными особенностями строения ферромагнетика, такими, как размер зерна, наличие внутренних напряжений, наклеп и др. . На этом основана магнитная структуроскопия, то есть определение фазового и структурного состояния материала на основании измерения магнитных характеристик

Магнитная проницаемость µ характеризует связь между индукцией и напряженностью внешнего поля. Она определяется как тангенс угла наклона к первичной кривой намагничивания В = f(H) . При этом различают начальную проницаемость µн при Н = 0 и максимальную µмакс . . Начальная магнитная проницаемость и коэрцитивная сила обратно пропорциональны друг другу. Обе эти характеристики определяют легкость намагничивания и размагничивания материала. Легко намагничиваются (большое значение µ, малое значение Нс) химически чистые ферромагнетики и твердые растворы на их основе, например, феррит. Появление большого количества дефектов в кристаллической решетке (наклеп, границы зерен, блоков), напряжения, распад твердого раствора, выделения второй фазы - все эти процессы вызывают уменьшение проницаемости и увеличение коэрцитивной силы, а также изменение остаточной индукции. Поэтому характеристики Нс, µ, Вr называют структурно-чувствительными. Измеряя эти характеристики, можно делать заключение о структуре и механических свойствах материала, поскольку прочность, пластичность, вязкость сталей определяется их структурой. В частности, закаленное состояние стали характеризуется большой коэрцитивной силой, при отжиге величина Нс резко уменьшается.

На практике были освоены несколько методов определения магнитных свойств: Классическая баллистическая установка БУ-3, магнитные весы (весы Фарадея) и феррозонд.

Баллистический метод

Баллистический метод до недавнего времени был одним из наиболее распространенных методов определения магнитных характеристик ферромагнитных материалов. Он основан на измерении количества электричества, протекающего через витки катушки, охватывающей образец, при быстром изменении магнитного потока, сцепляющегося с этой катушкой (установки типа БУ?3 и У5045). Изменение магнитного потока может быть осуществлено несколькими способами: удалением катушки из поля, изменением ее положения в пределах поля и изменением направления поля.

В измеряемое магнитное поле помещается измерительная катушка таким образом, чтобы вектор напряженности магнитного поля был направлен перпендикулярно к плоскости витков катушки. Размеры катушки обусловлены объёмом пространства в котором измеряют величину напряжённости магнитного поля. Катушка соединена с баллистическим гальвонометром. Если катушку быстро удалить из поля, то в её витках возникает Э.Д.С. на которую реагируют датчики, на шкале луч света, или стрелка покажет нужное нам значение индукции магнитного поля материала.

Данный метод позволяет определить основную кривую магнитной индукции или намагниченности, петлю магнитного гистерезиса, различные виды проницаемости и размагничивающий фактор ферромагнитных образцов. Основным недостатком баллистического метода является то, что он требует значительных временных затрат и плохо поддается автоматизации

В ходе опыта были протестированы образцы, содержащие разное количество феррита и аустенита, последний является парамагнетиком, в отличие от феррита. Образец содержащий 100 % феррита дал наибольшее значение магнитной индукции, образец с наименьшим содержанием феррита, показал наименьшие же показания индукции.

Феррозондовый метод

Феррозондовый метод является одним из наиболее чувствительных и наиболее легко поддающихся автоматизации методов. ФЕРРОЗОНД - прибор для измерения напряжённости магнитных полей (в основном постоянных или медленно меняющихся) и их градиентов.

Действие Ф. основано на смещении петли перемагничивания магнитомягких материалов под влиянием внешних магнитных полей. В простейшем варианте Феррозонд состоит из стержневого ферромагнитного сердечника и находящихся на нём двух катушек: катушки возбуждения, питаемой переменным током, и измерительной (сигнальной) катушки. В отсутствие измеряемого магнитного поля сердечник под действием переменного магнитного поля, создаваемого током в катушке возбуждения, перемагничивается по симметричному циклу. Изменение магнитного потока в сигнальной катушке, вызванное перемагничиванием сердечника по симметричному циклу, индуцирует в сигнальной катушке эдс, изменяющуюся по гармоническому закону. Если одновременно на сердечник действует измеряемое постоянное или слабо меняющееся магнитное поле, то кривая перемагничивания сдвигается и становится несимметричной. При этом изменяются величина и гармоничность эдс индукции в сигнальной катушке. В частности, появляются чётные гармонические составляющие эдс, величина которых пропорциональна напряжённости измеряемого поля (они отсутствуют при симметричном цикле перемагничивания).

Как правило, Ф. состоит из двух сердечников с обмотками, которые соединены так, что нечётные гармонические, составляющие практически компенсируются. Тем самым упрощается измерительная аппаратура и повышается чувствительность Феррозонда. Наиболее распространённые феррозондовые установки включают: генератор переменного тока, питающий обмотку возбуждения; фильтр для нечётных гармонических составляющих эдс, подключённый на выходе измеритель катушки; усилитель чётных гармоник; выходной измерительный прибор. Феррозонды обладают очень высокой чувствительностью к магнитному полю (до 10-4-10-5 А/м). Наиболее часто, в нашей области, их применяют для дефектоскопии, дефект создаёт искажения в магнитном поле, которые и регистрирует феррозонд, некоторые дефекты из-за их расположения зарегистрировать не удаётся (те что параллельны силовым линиям).

Коэрцитиметр

Коэрцитиметр предназначен для неразрушающего локального контроля качества термической, термомеханической или химикотермической обработок, а так же определения твердости и механических свойств деталей из ферромагнитных материалов при наличии корреляционной связи между контролируемым и измеряемым параметрами. Прибор может быть использован для разбраковки металлов по маркам стали и контроля поверхностных слоев ферромагнитных материалов.

Преобразователь представляет из себя приставной электромагнит со съемными полюсными наконечниками и со встроенным в его магнитную цепь датчиком Холла.

Принцип работы прибора состоит в намагничивании контролируемого участка детали с последующим размагничиванием его нарастающим полем, фиксации напряженности поля, соответствующей коэрцитивной силе материала детали, и измерении амплитуды сигнала с датчика Холла.

Магнитные весы

Предназначены для магнитно фазового анализа, схема установки:

Где: 1 -устройство для контроля интенсивности притяжения, 2- катушка, 3 -постояныый магнит, 4- образец, 5- магнитный материал

Принцип действия: постоянный магнит (3) приводится к контакту с изучаемым образцом, до зацепления, величина тока подаваемого на катушку (2) постепенно увеличивается, от этого постепенно растёт притяжение магнитного материала (5) к катушке, в какой-то момент времени происходит отрыв постоянного магнита от образца (4), значение силы тока фиксируется, и его сравнивают с известными значениями для идеальных образцов(с известными структурными составляющими) на основе этого даётся примерная характеристика содержания магнитной и немагнитной фаз.

Магнитопорошковый метод

Для диагностики ферромагнитных металлов и выявления дефектов широко используется магнитопорошковый контроль. Благодаря этой технологии в никеле, кобальте и железе выявляется дефекты типа трещин, волосовин, инородных включений, флокен, несплавлений и пр. Метод отлично подходит для выявления поверхностных дефектов и дефектов скрытых, чья глубина залегания не превышает 2-3 мм.

В основе данного метода контроля лежит изучение магнитных полей, которые рассеиваются вокруг исследуемого участка после намагничивания. В тех местах, где имеются дефекты, магнитные потоки перераспределяются, так что образуются магнитные поля рассеяния.

Магнитопорошковый контроль предполагает нанесение на исследуемую поверхность магнитного порошка либо суспензии. Она выполнена в виде мелкодисперсной взвеси магнитных частиц в жидкости. При попадании в магнитное поле рассеяния ферромагнитный порошок притягивается к несплошности и оседает вблизи них.

При этом ширина той полосы, вокруг которых оседает порошок, может оказаться больше реальной ширины дефекта. За счет этого магнитопорошковый контроль подходит для выявления даже узких трещин, заметить которые невооруженным глазом нельзя. Регистрацию индикаторного рисунка производят с применением специальных устройств либо визуально.

В рамках проведения магнитопорошкового контроля дефектоскопист выполняет следующие манипуляции: подготавливают поверхность к диагностике, тщательно очищая от окалины, масла и загрязнений; наносят дефектоскопический материал; осматривают поверхность и регистрируют индикаторный рисунок; размагничивают изделие.

Нередко для обеспечения меньшей силы трения применяют пескоструйную или механическую обработку. Для большей контрастности индикаторного рисунка поверхность могут даже покрыть лаком или краской.

Для осуществления магнитопорошкового контроля дефектоскописты пользуются стационарными либо портативными магнитными дефектоскопами. В них встроены измерители намагничивающего тока. Помимо этого, арсенал специалиста состоит из лупы, эндоскопа, микроскопа и прочих приспособлений.

В зависимости от необходимого уровня чувствительности и свойств исследуемого материала намагничивание выполняется одни из двух способов.

Способ остаточной намагниченности. Обработка порошком следует лишь после снятия намагниченности.

Способ приложенного поля. Порошок наносится одновременно с процессом намагничивания.

Метод дифференциального термического анализа.

Дифференциальный анализ применяют для определения температур превращения, сопровождающихся выделением (или поглощением) небольшого количества тепла. Это имеет место при изучении превращений в твердом состоянии или при определении температур кристаллизации очень малых количеств вещества. Чем меньше тепловой эффект превращения, тем ниже точность термического анализа и относительно больше влияние различных неравномерностей нагрева и охлаждения.

При дифференциальном термическом анализе возможно обеспечить высокую точность и отделить случайные колебания температур от вызываемых протеканием истинных фазовых превращений. При дифференциальном термическом анализе используется одновременный нагрев или охлаждение эталонного и испытуемого вещества как в твердом, так и в расплавленном состоянии. В этом случае в момент превращения возникает разность температур между образцом и эталоном. Она фиксируется дифференциальной термопарой, соединенной с прибором высокой чувствительности.

Дифференциальная термопара состоит из двух горячих спаев, связанных между собой общим электродом. При одинаковой температуре на каждом конце разность возникающих т. э. д. с. равна нулю. В момент превращения температуры концов становятся разными из-за выделения или поглощения тепла и соответственно результирующая т. э. д. с. дифференциальной термопары отличается от нуля. Одновременно фиксируется и разность температур и абсолютная температура либо обычной термопарой, либо от соответствующих электродов дифференциальной термопары.

Метод дилатометрического анализа

Дилатометрический анализ заключается в фиксировании изменений длины образцов при нагреве (охлаждении) или в изотермических условиях. Его применяют для определения температур превращений, протекающих в твердом состоянии. Если в металлах или сплавах при изменении температуры не происходит фазовых превращений, то их длина (объем) изменяется плавно. Однако если происходит фазовое превращение, то длина (объем) растет (убывает) скачкообразно. Измерение длины (объема) во времени в изотермических условиях позволяет определить кинетику превращений, поскольку степень этих превращений во времени пропорциональна изменениям фазы (объема).

Достоинством дилатометрического анализа по сравнению с термическим является независимость его результатов от скорости охлаждения или нагрева (если при этом не изменяется тип превращения).

Для регистрации изменений длины применяют различные методы и приборы -- дилатометры -- механические, оптические и электрические. В первых из них линейное перемещение фиксируется с помощью индикатора или пера на диаграммной бумаге, находящейся на вращающемся барабане, во втором -- либо непосредственно различными компараторами, катетометрами или микроскопами, либо с использованием оптического рычага, когда поступательное движение от расширения образца преобразуется во вращательное, фиксируемое по перемещению светового блика на шкале.

Существует несколько конструкций дилатометров, когда линейное перемещение преобразуется в электрический сигнал, например с помощью фотоэлектрических или электронных ламповых устройств, а также различных датчиков -- тензометрических, индукционных или емкостных. На основе таких преобразователей созданы автоматические дилатометры с программным управлением и дилатометры для фиксирования быстропротекающих процессов при скоростном нагреве или охлаждении.

Дилатометры снабжены, кроме того, средствами контроля температуры образцов, а иногда и устройствами, задающими определенную программу нагрева (охлаждения) или изотермической выдержки. Для определения температур в дилатометрах используют термопары, а во многих конструкциях -- дилатометрические пирометры, т. е. образцы-эталоны, характеризующиеся плавным изменением коэффициента расширения при нагреве или охлаждении. Поэтому по величине расширения (сжатия) эталона можно точно определить их температуру. Достоинством таких дилатометрических пирометров является безынерционность и более точная оценка температуры образца, нагреваемого в тех же условиях, что и эталон, поскольку он фиксирует температуру не в какой-либо одной точке, а усредненную по всей длине образца.

Размещено на Allbest.ru